JP2011228160A

JP2011228160A - 誘導加熱装置および誘導加熱方法

Info

Publication number: JP2011228160A
Application number: JP2010097795A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Ogawa; 慎太郎小川
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-11-10

Abstract

【課題】電源を多電源化することなく、被加熱部材の材料長さに対する加熱炉のロスを解消することのできる誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】主誘導加熱コイル１２と、一対の従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂとを有する加熱炉１５と、電源部２６を構成するインバータ３４に対して、主誘導加熱コイル１２と並列に配置されて共振回路を構成する第１コンデンサ１８と、インバータ３４に対して、結合誘導加熱コイル１６と並列に配置されて共振回路を構成する第２コンデンサ２０と、電源部２６との間に配置され、第１コンデンサ１８と第２コンデンサ２０との切替を行う一対の切替スイッチ２２ａ，２２ｂと、第１スイッチにより主誘導加熱コイル１２を選択する際には第２スイッチにより第１コンデンサ１８を選択し、第１スイッチにより結合誘導加熱コイル１６を選択する際には第２スイッチにより第２コンデンサ２０を選択する制御を行う制御手段２４を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱装置および誘導加熱方法に係り、特に被加熱部材の静止加熱を行う際に、被加熱部材の長さに対する加熱炉のロスを解消することに適した誘導加熱装置および方法に関する。

長尺とされる被加熱物を加熱する技術として誘導加熱を利用した加熱手段が知られている。このような加熱手段を用いる誘導加熱装置では、ソレノイド状に巻回された誘導加熱コイルの内側に形成される空間を加熱空間として、被加熱部材を連続的に投入する連続加熱と、連続加熱により生ずる無駄材の解消を目的とされる静止加熱とが知られている。
静止加熱では、被加熱部材の材料長の如何に係わらず、被加熱部材の中央部に比べ、両端部の加熱効率が悪く、中央部に比べて両端部の温度が低くなり易いといった問題があった。

このような問題に対しては、種々の解決手段が検討されており、例えば特許文献１に開示されている手段や、特許文献２に開示されている手段などを挙げることができる。特許文献１に開示されている技術は、誘導加熱コイルのコイル幅に変化を与えることで、誘導加熱コイルの実質的な巻回密度を変化させ、磁束密度の調整を図るというものである。具体的には、加熱炉の中央部に巻回される誘導加熱コイルの幅（加熱炉長手方向におけるコイル単体の幅）を、加熱炉の両端に巻回される誘導加熱コイルの幅よりも広くするという技術である。このような技術によれば、誘導加熱コイルを密に巻回しつつ、加熱時に生ずる磁束密度は中央部よりも両端部を密にすることが可能となり、部分冷却等による加熱炉の劣化を抑制することができるという。
特許文献２に開示されている技術は、加熱炉に配置された被加熱部材の両端に加熱炉の長さに合致する非導電性耐火材からなるダミーバーを配置し、熱効率の向上を図るというものである。

特開平８−１７１９８２号公報特開２００８−７７９１号公報

上記特許文献に開示されている技術によれば、被加熱部材における温度分布の均一性に寄与すると共に、連続加熱実施時に生ずるような無駄材も無くすことができる。
しかし、いずれの技術でも、被加熱部材の材料長さの如何に係わらず、加熱炉内の誘導加熱コイルを全て使用することとなる。このため、被加熱部材の材料長さによっては、被加熱部材の加熱に寄与しない誘導加熱コイルの割合の方が多くなってしまうこともあり、加熱炉のロスが大きい。このような問題に対し、誘導加熱コイルを複数分割し、使用する誘導加熱コイル毎に電源を設け、誘導加熱コイルの使用範囲を切り替えるという事が考えられる。しかしこのような構成とした場合、電源を多電源化することとなり、設備コストの高騰を招くこととなる。
本発明では、電源を多電源化することなく、被加熱部材の材料長さに対する加熱炉のロスを解消することのできる誘導加熱装置、および誘導加熱方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置は、主誘導加熱コイルと、前記主誘導加熱コイルの両端側に接続された一対の従属誘導加熱コイルとを有する加熱炉と、電源部を構成するインバータに対して、前記主誘導加熱コイルと並列に配置されて共振回路を構成する第１コンデンサと、前記インバータに対して、前記一対の従属誘導加熱コイルと前記主誘導加熱コイルとを結合させて構成される結合誘導加熱コイルと並列に配置されて共振回路を構成する第２コンデンサと、前記電源部との間に配置され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの切替を行う第１スイッチと、前記主誘導加熱コイルと前記結合誘導加熱コイルとの切替を行う第２スイッチとを有する一対の切替スイッチと、前記第１スイッチにより前記主誘導加熱コイルを選択する際には前記第２スイッチにより前記第１コンデンサを選択し、前記第１スイッチにより前記結合誘導加熱コイルを選択する際には前記第２スイッチにより前記第２コンデンサを選択する制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置は、前記加熱炉内に配置される被加熱部材の両端に、前記被加熱部材における端面のオーバーヒートおよび放熱を防止するダミー部材を配置することが望ましい。

また、上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱方法は、主誘導加熱コイルと前記主誘導加熱コイルの両端側に接続された一対の従属誘導加熱コイルとを有する加熱炉と、電源部を構成するインバータに対して、前記主誘導加熱コイルと並列に配置されて共振回路を構成する第１コンデンサと、前記インバータに対して、前記一対の従属誘導加熱コイルと前記主誘導加熱コイルとを結合させて構成される結合誘導加熱コイルと並列に配置されて共振回路を構成する第２コンデンサと、を備えた誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、被加熱部材の材料長が前記主誘導加熱コイルのコイル長より短い場合には、前記主誘導加熱コイルと前記第１コンデンサを選択し、前記被加熱部材の材料長が前記主誘導加熱コイルのコイル長より長い、または同じであった場合には前記結合誘導加熱コイルと前記第２コンデンサを選択して前記被加熱部材の加熱を行うことを特徴とする。

さらに、上記のような特徴を有する誘導加熱方法では、前記加熱炉に前記被加熱部材を配置した後、前記被加熱部材における端面のオーバーヒートおよび放熱を防止するダミー部材配置して前記被加熱部材の加熱を行うようにすることが望ましい。

上記のような特徴を有する誘導加熱装置および誘導加熱方法によれば、電源を多電源化することなく、被加熱部材の材料長さに対する加熱炉のロスを解消することが可能となる。

実施形態に係る誘導加熱装置の構成を示すブロック図である。誘導加熱装置における加熱炉の構成を示す部分透過斜視図である。

以下、本発明の誘導加熱装置、および誘導加熱方法に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
本実施形態に係る誘導加熱装置は、図１、図２に示すように、加熱炉１５と電源部２６、および切替スイッチ２２ａ，２２ｂを主な構成要素としている。加熱炉１５は、詳細を図２に示すように、セラミック筒状体４０とスキッドレール４２、主誘導加熱コイル１２、従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂ、および図示しないケーシングとを基本として構成される。

セラミック筒状体４０は、詳細を後述する主誘導加熱コイル１２と従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂの内側領域に配置され、被加熱部材であるビレット４４を配置するための筒状体である。スキッドレール４２は、ビレット４４を載置、摺動させるためのレールである。なおスキッドレール４２は、耐熱性の中空部材により構成し、内部に冷却水等の冷媒を送通させるようにすると良い。スキッドレール４２が過加熱されて変形することを防ぐことができるからである。

主誘導加熱コイル１２は、加熱炉１５の長手方向中央に配置される誘導加熱コイルである。一方、従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂは、主誘導加熱コイル１２の両端側に接続された誘導加熱コイルである。主誘導加熱コイル１２と従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂは共に、セラミック筒状体４０の外周に巻回されたソレノイド状のコイルである。また、主誘導加熱コイル１２の両端に接続された一対の従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂは、その巻回数が等しくなるように形成されている。また、主誘導加熱コイル１２と従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂは共に、中空部材により構成され、内部に冷却水等の冷媒を送通可能な構成とすると良い。これにより主誘導加熱コイル１２や従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂが、ビレット４４などからの輻射熱等により過加熱されてしまう事態を避けることができるからである。

電源部２６は、主誘導加熱コイル１２または、主誘導加熱コイル１２および従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂに対して電力を供給する役割を担い、例えば、三相交流電源２８、コンバータ３０、チョッパ３２、およびインバータ３４を基本として構成される。ここで、三相交流電源２８は、三相交流電流を供給する電源であり、コンバータ３０は、三相交流電源２８から出力された三相交流電流を直流に変換して、後段に接続されたチョッパ３２へと出力する順変換部である。チョッパ３２は、コンバータ３０から出力された電流の通流率を変化させ、インバータ３４に対して出力する電流の電圧を変化させる電圧調整部である。インバータ３４は、チョッパ３２により電圧調整された直流電流を交流電流へと変換して誘導加熱コイル（主誘導加熱コイル１２、または主誘導加熱コイル１２および従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂ）へと供給する逆変換部である。

本実施形態に係る誘導加熱装置１０では、主誘導加熱コイル１２および従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂと、電源部２６との間に、詳細を後述する切替スイッチ２２ａ，２２ｂを介して第１コンデンサ１８と第２コンデンサ２０が備えられる。

切替スイッチ２２ａ，２２ｂは、主誘導加熱コイル１２または、主誘導加熱コイル１２と従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂとが電気的に接続された状態の誘導加熱コイル（結合誘導加熱コイル１６と称す）と、電源部２６との間に一対、並列に設けられ、主誘導加熱コイル１２と第１コンデンサ１８、結合誘導加熱コイル１６と第２コンデンサ２０とをそれぞれ並列接続する役割を担う。ここで、主誘導加熱コイル１２と第１コンデンサ１８、および結合誘導加熱コイル１６と第２コンデンサ２０はそれぞれ、インバータ３４との関係において並列共振回路を構成する。このため、第１コンデンサ１８と第２コンデンサ２０はそれぞれ、主誘導加熱コイル１２、結合誘導加熱コイル１６との関係において共振周波数をＦとした場合に、主誘導加熱コイル１２のインピーダンス（Ｚ_Ｌ１）と第１コンデンサ１８のインピーダンス（Ｚ_Ｃ１）、および結合誘導加熱コイル１６のインピーダンス（Ｚ_Ｌ２）と第２コンデンサ２０のインピーダンス（Ｚ_Ｃ２）が等しくなるように設定する。

切替スイッチ２２ａ，２２ｂは、第１コンデンサ１８と第２コンデンサ２０の切り替えを行う第１スイッチ２３ａと、主誘導加熱コイル１２と結合誘導加熱コイル１６との切り替えを行う第２スイッチ２３ｂを有する。この第１スイッチ２３ａと第２スイッチ２３ｂによる選択の組み合わせにより、誘導加熱コイルの使用コイル長を切り替えて稼動させることが可能となる。また、切替スイッチ２２ａ，２２ｂには、使用する誘導加熱コイルの長さに応じて、第１スイッチ２３ａと第２スイッチ２３ｂとを同期させて切り替えを成す制御手段２４が接続されている。このような制御手段２４を設けることにより、切り替え時には確実に、いずれか一方の誘導加熱コイルとコンデンサを選択して共振回路を構成することが可能となる。

上記のような構成の誘導加熱装置１０では、ビレット４４を加熱する際に、ビレット４４の長手方向両端部にダミー部材４６（第１ダミー部材４６ａ，第２ダミー部材４６ｂ）を配置する。具体的には、押し棒４８により第１ダミー部材４６ａを加熱炉内へ押し込み、次いで被加熱部材であるビレット４４を押し込む、最後に第２ダミー部材４６ｂを押し棒４８で押し込んで、ビレット４４の長手方向中心位置と主誘導加熱コイル１２の長手方向中心位置とを合わせ込む。

このようにして第１ダミー部材４６ａ、第２ダミー部材４６ｂによりビレット４４を挟み込んで配置することにより、ビレット４４端面のエッジ部におけるオーバーヒートを防ぐことが可能となる。また、ビレット４４端面からの放熱を防ぎ、温度分布の均等化も図ることが可能となる。

本実施形態に係る誘導加熱装置１０では、例えば、ビレット４４の長さが、主誘導加熱コイル１２のコイル長よりも短い場合には、制御手段２４の操作により主誘導加熱コイル１２と第１コンデンサ１８とを選択する。一方、ビレット４４の長さが、主誘導加熱コイル１２のコイル長よりも長い場合や、ビレット４４の長さが主誘導加熱コイル１２のコイル長と同等の場合には、制御手段２４の操作により結合誘導加熱コイル１６と第２コンデンサ２０とを選択する。

このような構成、および加熱方法を採ることにより、被加熱部材の材料長に対する稼動誘導加熱コイルにおけるコイル長の無駄を抑えることができる。これにより、加熱時における消費電力を抑制することができ、エネルギー効率を向上させることができる。

また、主誘導加熱コイル１２と従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂとは、結合誘導加熱コイル１６と称される連続的に巻回された１本のコイルで構成され、電気的接続の切り替えにより使用箇所が変更される構成としている。このため、機械的に分割されたコイルの切り替え使用と異なり、主誘導加熱コイル１２のみを稼動させる場合であっても、結合誘導加熱コイル１６として稼動させる場合であっても、単一コイルとしての磁界を生じさせることができ、誘導加熱コイルの分割箇所に生ずる磁界の疎密が無く、局所的な温度低下などを生じさせる虞が無い。
また、電源部２６を１つに抑えているため、制御手段２４が簡単であると共に装置コストを抑制することもできる。

上記実施形態では、１つの主誘導加熱コイル１２に対して２個の従属誘導加熱コイル１４ａ，１４ｂを配置する構成としている。しかしながら、従属誘導加熱コイルの数は２つに限られるものではなく、さらに複数の誘導加熱コイルを従属誘導加熱コイルとして配置しても良い。この場合、共振回路を構成するコンデンサもさらに複数となり、切替スイッチは、マルチ切替が可能なタイプを選択することとなる。

１０………誘導加熱装置、１２………主誘導加熱コイル、１４ａ，１４ｂ………従属誘導加熱コイル、１５………加熱炉、１６………結合誘導加熱コイル、１８………第１コンデンサ、２０………第２コンデンサ、２２ａ，２２ｂ………切替スイッチ、２３ａ………第１スイッチ、２３ｂ………第２スイッチ、２４………制御手段、２６………電源部、２８………三相交流電源、３０………コンバータ、３２………チョッパ、３４………インバータ、４０………セラミック筒状体、４２………スキッドレール、４４………ビレット、４２ａ………第１ダミー部材、４２ｂ………第２ダミー部材。

Claims

主誘導加熱コイルと、前記主誘導加熱コイルの両端側に接続された一対の従属誘導加熱コイルとを有する加熱炉と、
電源部を構成するインバータに対して、前記主誘導加熱コイルと並列に配置されて共振回路を構成する第１コンデンサと、
前記インバータに対して、前記一対の従属誘導加熱コイルと前記主誘導加熱コイルとを結合させて構成される結合誘導加熱コイルと並列に配置されて共振回路を構成する第２コンデンサと、
前記電源部との間に配置され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの切替を行う第１スイッチと、前記主誘導加熱コイルと前記結合誘導加熱コイルとの切替を行う第２スイッチとを有する一対の切替スイッチと、
前記第１スイッチにより前記主誘導加熱コイルを選択する際には前記第２スイッチにより前記第１コンデンサを選択し、前記第１スイッチにより前記結合誘導加熱コイルを選択する際には前記第２スイッチにより前記第２コンデンサを選択する制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
前記加熱炉内に配置される被加熱部材の両端に、前記被加熱部材における端面のオーバーヒートおよび放熱を防止するダミー部材を配置することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
主誘導加熱コイルと前記主誘導加熱コイルの両端側に接続された一対の従属誘導加熱コイルとを有する加熱炉と、電源部を構成するインバータに対して、前記主誘導加熱コイルと並列に配置されて共振回路を構成する第１コンデンサと、前記インバータに対して、前記一対の従属誘導加熱コイルと前記主誘導加熱コイルとを結合させて構成される結合誘導加熱コイルと並列に配置されて共振回路を構成する第２コンデンサと、を備えた誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、
被加熱部材の材料長が前記主誘導加熱コイルのコイル長より短い場合には、前記主誘導加熱コイルと前記第１コンデンサを選択し、前記被加熱部材の材料長が前記主誘導加熱コイルのコイル長より長い、または同じであった場合には前記結合誘導加熱コイルと前記第２コンデンサを選択して前記被加熱部材の加熱を行うことを特徴とする誘導加熱方法。
前記加熱炉に前記被加熱部材を配置した後、前記被加熱部材における端面のオーバーヒートおよび放熱を防止するダミー部材を配置して前記被加熱部材の加熱を行うことを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱方法。